ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΧΑΤΖΗΔΑΚΗ Α.Μ.: 226882 ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο 350 Πάτρα, Οκτώβριος 2012 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥΠΟΛΗ ΠΑΤΡΑΣ 26504 ΡΙΟ - ΠΑΤΡΑ Τηλ: +30.2610.996412 Τηλ: +30.2610.996415 Τηλ: +30.2610.996414 Fax: +30.2610.997362 E-mail e.c.tatakis@ece.upatras.gr
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΧΑΤΖΗΔΑΚΗ Α.Μ.: 226882 ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Επιβλέπων: Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Ν ο 226882/2012 Πάτρα, Οκτώβριος 2012
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: "ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ" του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΧΑΤΖΗΔΑΚΗ Α.Μ. 226882 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 12/10/2012 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Εμμανουήλ Τατάκης Αναπληρωτής Καθηγητής Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής
Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: 226882/2012 ΤΙΤΛΟΣ: "ΑΝΑΛΥΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - ΑΠΟΜΑΣΤΕΥΣΗ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ" Φοιτητής: Επιβλέπων: Χατζηδάκης Παναγιώτης του Γεωργίου Δρ.-Μηχ. Εμμανουήλ Τατάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση της λειτουργίας των θερμοηλεκτρικών στοιχείων, τη συγκριτική μελέτη μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος από αυτά καθώς και την κατασκευή διάταξης για την πειραματική σύγκριση των μεθόδων αυτών στο εργαστήριο. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος στόχος είναι η επιλογή ορισμένων μεθόδων εντοπισμού του σημείου απομάστευσης μέγιστης ισχύος, που μπορούν να εφαρμοστούν σε διάταξη θερμοστοιχείων και η μελέτη αυτών ώστε να εξαχθούν συγκριτικά αποτελέσματα για τις μεθόδους αυτές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία διεξήχθη η απαραίτητη βιβλιογραφική αναζήτηση, η μελέτη των μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος, η μελέτη των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των θερμοστοιχείων και η μοντελοποίηση τους ως γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά έγινε η αναζήτηση στη βιβλιογραφία των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών λειτουργίας των θερμοστοιχείων για κατανόηση της λειτουργίας τους. Έγινε μελέτη των ιδιαιτεροτήτων τους και των διαφορών τους από τα άλλα συστήματα που έχουν εφαρμοστεί μέθοδοι απομάστευσης μέγιστης ισχύος, καθώς και αναζήτηση για εύρεση μοντέλου κατάλληλου για την προσομοίωση τους. Στη συνέχεια έγινε βιβλιογραφική αναζήτηση για τις μεθόδους απομάστευσης μέγιστης ισχύος που έχουν εφαρμοστεί σε θερμοστοιχεία, αλλά και σε άλλα συστήματα, όπως ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά συστήματα. Μελετήθηκε η φιλοσοφία της κάθε μίας και μεταξύ αυτών έγινε επιλογή των καταλληλότερων για την εφαρμογή τους σε θερμοστοιχεία. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση τόσο του θερμοστοιχείου βάσει ενός εκ των μοντέλων που υφίστανται στη βιβλιογραφία, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, όσο και των μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος που επιλέχθηκαν. Στόχος είναι η καλύτερη κατανόηση των χαρακτηριστικών των θερμοστοιχείων και η διεξαγωγή πρώιμης σύγκρισης βάσει των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων. Τέλος μελετήθηκε και κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη, κατάλληλη για την εφαρμογή των μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος. Βάσει των μετρήσεων που λήφθηκαν με αυτή τη διάταξη έγινε η τελική σύγκριση μεταξύ των μεθόδων που επιλέχθηκαν.
Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Στη διπλωματική αυτή εργασία μελετώνται τα θερμοστοιχεία κατά τη λειτουργία τους ως θερμοηλεκτρικές γεννήτριες και κυρίως οι μέθοδοι με τις οποίες επιτυγχάνεται μεγιστοποίηση της απομαστευόμενης ισχύος από αυτά. Απώτερος στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η κατασκευή μετατροπέα ισχύος και διάταξης ελέγχου, κατάλληλων για την εφαρμογή των μεθόδων αυτών σε πειραματική διάταξη, για την καλύτερη σύγκριση τους. Συγκεκριμένα έγινε βιβλιογραφική αναζήτηση για τα θερμοστοιχεία και για τις μεθόδους απομάστευσης μέγιστης ισχύος που μπορούν να εφαρμοστούν σε αυτά. Ακολούθησε επιλογή των καταλληλότερων μεθόδων εξ αυτών και προσομοίωσή τους σε περιβάλλον Matlab/Simulink για εξαγωγή των πρώτων αποτελεσμάτων. Τέλος έγινε σχεδιασμός και κατασκευή πειραματικής διάταξης για την εφαρμογή τους στο εργαστήριο. Από τις μετρήσεις που λήφθηκαν έγινε η τελική σύγκριση των μεθόδων. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 αναφέρεται το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο και περιγράφονται οι διατάξεις των θερμοστοιχείων που κάνουν χρήση του φαινομένου αυτού. Παράλληλα αναφέρεται το ενεργειακό ζήτημα και παρουσιάζονται οι τρόποι με τους οποίους η τεχνολογία των θερμοστοιχείων θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση του. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται οι μέθοδοι εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος που έχουν εφαρμοστεί σε διάφορες διατάξεις (φωτοβολταϊκά συστήματα, ανεμογεννήτριες, θερμοστοιχεία) και αναλύεται συνοπτικά η λογική της κάθε μίας. Στη συνέχεια παρατίθενται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των θερμοστοιχείων και οι διαφοροποιήσεις τους από τις άλλες τεχνολογίες. Τέλος βάσει αυτών επιλέγονται οι μέθοδοι απομάστευσης μέγιστης ισχύος που θεωρούνται καταλληλότερες για εφαρμογή σε αυτά. Στο κεφάλαιο 3 αρχικά επιλέγεται ο μετατροπέας που θα χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή των μεθόδων και παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας του. Ύστερα, ακολουθεί η επιλογή των στοιχείων που θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή της πειραματικής διάταξης δηλαδή (πλακέτας μετατροπέα ισχύος, πλακέτας ελέγχου και πλακέτας τροφοδοτικών). Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις που έγιναν για τη μοντελοποίηση του θερμοστοιχείου, καθώς και αυτές που πραγματοποιήθηκαν με την εφαρμογή των μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος και την απόκρισή τους σε διάφορες μεταβολές. Τα - I -
Πρόλογος αποτελέσματα παρατίθενται υπό μορφή διαγραμμάτων για την καλύτερη κατανόηση του πως αυτές λειτουργούν. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται η διάταξη που κατασκευάστηκε και τα πειραματικά αποτελέσματα ενώ γίνεται και η τελική σύγκριση των μεθόδων βάσει των γνώσεων που αποκομίστηκαν από αυτά και τη διεξαγωγή των προσομοιώσεων. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν, τα σχηματικά και τα σχέδια PCB των πλακετών που κατασκευάστηκαν, οι κώδικες που χρησιμοποιήθηκαν κατά την προσομοίωση σε περιβάλλον Matlab/Simulink και οι κώδικες που εφαρμόστηκαν στην πειραματική διάταξη σε γλώσσα C. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας κ. Εμμανουήλ Τατάκη για την πολύτιμη καθοδήγηση του και τη συμβολή του στην ορθή εκπόνηση της διπλωματικής αυτής εργασίας. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω στον υποψήφιο διδάκτορα Γεώργιο Χρηστίδη για την πολύτιμη βοήθειά του, τις καθοριστικές συμβουλές του και την υπομονή που έδειξε καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Τελειώνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια και τους φίλους μου, για τη συμπαράσταση που μου παρείχαν καθώς και την υπομονή και την κατανόηση που έδειξαν σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου και ιδιαίτερα στις δύσκολες περιόδους αυτών. - II -
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή - Θερμοστοιχεία 1.1. Ενεργειακό πρόβλημα Απώλειες ενέργειας.... 1.2. Θερμικές απώλειες και εκμετάλλευσή τους....... 1.3. Παρουσίαση θερμοστοιχείου......... 1.3.1 Ιστορική αναδρομή.................... 1.3.2 Βασικές αρχές λειτουργίας Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά...... 1.3.3 Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας................... 1.3.3.1 Λειτουργία ως ψυκτική συσκευή σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος (Thermo Electric Cooler (TEC))......... 1.3.3.2 Λειτουργία ως γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας (Thermo Electric Generator (TEG)).................. 1.3.3.3 Λειτουργία ως γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας (TEG) (Διαφορετικό θερμοστοιχείο)............... 1.4 Σύνοψη.............. 7 8 10 10 11 13 13 15 17 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Μέθοδοι εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος Maximum Power Point Tracking (MPPT) 2.1 Ανάγκη για έλεγχο MPPT........... 2.2 Μέθοδοι MPPT εφαρμοσμένες σε φωτοβολταϊκά συστήματα.. 2.2.1 Μέθοδος σταθερής τάσης.... 2.2.2 Μέθοδος με πίνακα αντιστοίχισης........ 2.2.3 Μέθοδος τάσης ανοιχτοκυκλώματος....... 2.2.4 Μέθοδος ρεύματος βραχυκύκλωσης........ 2.2.5 Μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης....... 2.2.6 Μέθοδος αυξανόμενης αγωγιμότητας...... 2.2.7 Μέθοδος παρασιτικής χωρητικότητας............. 2.2.8 Μέθοδος ασαφούς ελέγχου νευρωνικών δικτύων... 2.2.9 Μέθοδος ελέγχου στο χώρο κατάστασης...... 2.3 Επιλογή Μεθόδων προς Σύγκριση......... 2.3.1 Χαρακτηριστικά θερμοστοιχείου................ 2.3.2 Κριτήρια επιλογής μεθόδων για εφαρμογή στο θερμοστοιχείο.. 2.3.3 Εναπομείνασες μέθοδοι............. 2.3.4 Γνώση από τη βιβλιογραφία μεθόδων MPPT σε TEG... 19 20 20 21 21 23 24 26 28 29 29 30 31 31 33 33 - III -
Πίνακας Περιεχομένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σχεδιασμός και κατασκευή πειραματικής διάταξης 3.1. Επιλογή μετατροπέα για το πείραμα......... 3.2. Παρουσίαση μετατροπέα Boost........... 3.2.1. Λειτουργία συνεχούς αγωγής (CCM)......... 3.2.2. Λειτουργία ασυνεχούς αγωγής (DCM)........ 3.3. Επιλογή στοιχείων Πειραματικής Διάταξης...... 3.3.1. Προδιαγραφές Μετατροπέα Ανύψωσης Τάσης τύπου Boost........ 3.3.2. Επιλογή υλικών μετατροπέα Boost................ 3.3.2.1. Επιλογή MOSFET ανοιχτοκύκλωσης........ 3.3.2.2. Διακοπτικό MOSFET........... 3.3.2.3. Επιλογή Διόδου ισχύος... 3.3.2.4. Επιλογή πηνίου....... 3.3.2.5. Ψυκτικά............... 3.3.2.6. Πυκνωτής εισόδου...... 3.3.2.7. Πυκνωτής εξόδου...... 3.3.2.8. Optocoupler (6Ν137)..... 3.3.2.9. Driver......... 3.3.2.10. Μετρητικό Ρεύματος...... 3.3.2.11. Μετρητικό Τάσης... 3.3.3. Επιλογή υλικών πλακέτας ελέγχου....... 3.3.3.1. Μικροελεγκτής...... 3.3.3.2. Trimmer........ 3.3.3.3. Buffer........ 3.3.4. Επιλογή υλικών πλακέτας Τροφοδοτικών.. 3.3.4.1. Γραμμικά Τροφοδοτικά...... 3.3.4.2. Μετασχηματιστές.......... 3.4. Παρουσίαση των δυνατοτήτων του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκαν.... 35 37 38 40 42 42 43 43 44 44 45 47 48 49 49 49 50 50 50 50 51 51 51 52 52 52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Προσομοίωση και Σύγκριση Μεθόδων εφαρμοσμένων σε μετατροπέα Boost 4.1. Μοντέλο TEG............ 4.1.1. Αριθμητική ανάλυση μοντέλου....... 4.1.2. Παρουσίαση διάταξης προσομοίωσης θερμοστοιχείου..... 4.1.3. Επαλήθευση του μοντέλου.... 4.2. Διάταξη μετατροπέα............ 4.3. Προσομοίωση μεθόδων MPPT......... 4.3.1. Μέθοδος τάσης ανοιχτοκυκλώματος................... 4.3.2. Μέθοδος ρεύματος βραχυκύκλωσης.......... 4.3.3. Μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης (P&O)... 55 57 58 59 62 64 64 66 67 - IV -
Πίνακας Περιεχομένων 4.3.4. Μέθοδος αυξανόμενης αγωγιμότητας In.C. (Incremental Conductance) 4.4. Κριτήρια σύγκρισης κατά την προσομοίωση..... 4.5. Αποτελέσματα προσομοίωσης Σύγκριση μεθόδων..... 4.5.1. Έλεγχος ακρίβειας προσέγγισης στη μόνιμη κατάσταση..... 4.5.2. Βηματικές μεταβολές.... 4.5.2.1. Μεταβολή τάσης......... 4.5.2.2. Μεταβολή αντίστασης.... 4.5.3. Σταδιακές μεταβολές Ράμπας....... 4.5.3.1. Μεταβολή τάσης..... 4.5.3.2. Μεταβολή αντίστασης..... 4.5.4. Σταδιακή μεταβολή της θερμοκρασίας...... 4.5.5. Παρουσίαση Διαγραμμάτων Ισχύος Τάσης (P V).... 4.6. Παρατηρήσεις Συμπεράσματα........... 68 70 71 71 83 83 91 102 102 110 116 127 130 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 5.1. Παρουσίαση πειραματικής διάταξης............ 5.2. Δοκιμή της λειτουργίας του μετατροπέα....... 5.3. Μετρήσεις κατά την εφαρμογή των μεθόδων........ 5.3.1. Δοκιμή μεθόδου τάσης ανοιχτοκύκλωσης (Voc)............ 5.3.2. Δοκιμή μεθόδου ρεύματος βραχυκύκλωσης (Isc)................ 5.3.3. Δοκιμή μεθόδου διαταραχής και παρατήρησης (P&O).. 5.3.4. Δοκιμή μεθόδου αυξανόμενης αγωγιμότητας (In.C.)..... 5.4. Παρατηρήσεις - Συμπεράσματα........ 131 133 136 136 139 141 144 147 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 149 ΠΑΡΑΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Σχηματικά και τυπωμένα κυκλώματα από το KiCad... ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β Κώδικες των μεθόδων στο Matlab.. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ Φυλλάδια κατασκευαστών..... ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ Κώδικες των μεθόδων για τον μικροελεγκτή... 155 165 177 185 - V -
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το ενεργειακό πρόβλημα ολοένα και εντείνεται, καθώς οι συμβατικοί πόροι συνεχώς ελαττώνονται ενώ οι παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες αυξάνονται μέρα με τη μέρα. Παρόλες τις προσπάθειες που γίνονται τις τελευταίες δεκαετίες για να στραφεί η παραγωγή ενέργειας στις ανανεώσιμες πηγές, όπως η ηλιακή και η αιολική, οι συμβατικές πηγές ενέργειας φαίνεται ότι θα παίζουν κυρίαρχο ρόλο για αρκετά χρόνια ακόμα. Ένας διαφορετικός τρόπος λοιπόν να μειωθεί η κατανάλωση των συμβατικών πόρων είναι η ελάττωση των απωλειών ενέργειας κατά τη μετατροπή της από μία μορφή σε μία άλλη. Πιο συγκεκριμένα, δεδομένου ότι τα μεγαλύτερα ποσοστά απωλειών εμφανίζονται υπό μορφή θερμότητας, η εκμετάλλευση της θερμότητας αυτής αποτελεί έναν πολύ αποδοτικό τρόπο εξοικονόμησης ενέργειας. Η καταλληλότερη δε τεχνολογία για την επίτευξη αυτού του σκοπού είναι αυτή των θερμοστοιχείων, ημιαγωγικών διατάξεων που μετατρέπουν άμεσα τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική, λειτουργώντας ακόμα και σε πολύ χαμηλές διαφορές θερμοκρασίας. Το μειονέκτημα της τεχνολογίας αυτής είναι ο χαμηλός βαθμός απόδοσής της που φτάνει περίπου στο 10% στην ονομαστική τους λειτουργία, δηλαδή με κατάλληλα προσαρμοσμένο φορτίο. Όμως το κατάλληλο φορτίο είναι διαφορετικό για κάθε διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα του θερμοστοιχείου, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτείται συνεχής προσαρμογή φορτίου. Τέτοιου είδους προσαρμογή μπορεί να επιτευχθεί με την παρεμβολή ενός μετατροπέα ισχύος μεταξύ θερμοστοιχείου και φορτίου, όπως φαίνεται και στο σχήμα Ε.1. Για τη ζητούμενη λειτουργία του μετατροπέα απαιτείται η εφαρμογή κατάλληλων μεθόδων για τον εντοπισμό και την προσέγγιση του σημείου απομάστευσης μέγιστης ισχύος (μεθόδων MPPT - Maximum Power Point Tracking), αντίστοιχες με αυτές που χρησιμοποιούνται ευρέως και σε πιο διαδεδομένες τεχνολογίες όπως τα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι ανεμογεννήτριες.
Σχήμα Ε.1 Διάταξη για την εφαρμογή μεθόδων MPPT Στην παρούσα διπλωματική εργασία, θα γίνει ανάλυση ορισμένων μεθόδων MPPT καθώς και συγκριτική μελέτη μεταξύ αυτών, ώστε να επιλεγεί η καταλληλότερη για τη χρήση της σε θερμοστοιχεία, εκείνης δηλαδή με τη χρήση της οποίας επιτυγχάνεται βέλτιστη ακρίβεια προσέγγισης του σημείου μέγιστης ισχύος σε αυτά. Ακόμη, κομμάτι της διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, που είναι απαραίτητος για την εφαρμογή των μεθόδων αυτών και για την κατάλληλη προσαρμογή του φορτίου, ώστε να γίνει εργαστηριακή εξομοίωση της διάταξης του σχήματος Ε.1. Έμπνευση για τη διεξαγωγή της διπλωματικής εργασίας, αποτέλεσε το ερευνητικό πρόγραμμα που διεξάγεται στο εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής μετατροπής ενέργειας, για την εξοικονόμηση ενέργειας από την εκμετάλλευση της θερμότητας των καυσαερίων σε ελικόπτερο [1]. Πιο συγκεκριμένα η πειραματική διάταξη που θα κατασκευαστεί στην παρούσα εργασία, θα μπορούσε να αποτελέσει το πρώτο κομμάτι για το σύστημα στατικής ανάκτησης ενέργειας του ελικοπτέρου. Το κομμάτι αυτό αφορά τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας των καυσαερίων σε ηλεκτρική η οποία θα παρέχεται σε ένα δίαυλο συνεχούς τάσης (DC-BUS). Από εκεί θα χρησιμοποιείται για να καλύψει τις ηλεκτρικές ανάγκες του ελικοπτέρου, μειώνοντας έτσι το έργο της ηλεκτρογεννήτριας και συνεπώς του κινητήρα εσωτερικής καύσης, πράγμα που συνεπάγεται μεγαλύτερη αυτονομία του οχήματος καθώς και μειωμένες εκπομπές ρύπων. Η συνολική διάταξη για την πραγματοποίηση της διαδικασίας αυτής παρουσιάζεται συνοπτικά στο σχήμα Ε.2.
Σχήμα Ε.2 Σύστημα στατικής ανάκτησης ενέργειας του ελικοπτέρου Στο θάλαμο των καυσαερίων έχουν εγκατασταθεί συστοιχίες θερμοστοιχείων συνολικής ονομαστικής ισχύος 1 kw και ονομαστικής τάσης λειτουργίας 100V. Στη συνέχεια υπάρχει ένας μετατροπέας συνεχούς τάσης σε συνεχή (DC DC), ο οποίος καλείται να λειτουργεί το θερμοστοιχείο στο σημείο μέγιστης ισχύος του και αποτελεί τη διάταξη της διπλωματικής εργασίας. Ακολουθεί ένας αμφίδρομος μετατροπέας DC DC ο οποίος επιτελεί τρείς βασικούς στόχους. Πρώτος του στόχος είναι η μεταφορά της ισχύος που παρέχει ο πρώτος μετατροπέας στο δίαυλο συνεχούς τάσης (DC-BUS), όπου η τάση διατηρείται σταθερή στα 270V. Δεύτερος, η απορρόφηση αιχμών ισχύος που εμφανίζονται σε αυτό λόγω απότομων μεταβολών που παρουσιάζονται στο φορτίο και στις οποίες οι ηλεκτρογεννήτρια δεν μπορεί να αποκριθεί άμεσα. Τέλος, τρίτος στόχος του είναι να διατηρεί την τάση εξόδου του προηγούμενου μετατροπέα σταθερή, ώστε να διευκολύνεται το έργο του. Για τη διασύνδεση των δύο αυτών μετατροπέων και για την ευκολότερη σταθεροποίηση της τάσης, ανάμεσά τους παρεμβάλλεται μια συστοιχία υπερπυκνωτών, που αποτελούν καταλληλότερη λύση από τις μπαταρίες, διότι έχουν τη δυνατότητα να αποκρίνονται γρηγορότερα στις μεταβολές ισχύος καθώς μπορούν να διαχειριστούν μεγαλύτερες τιμές ρεύματος, ενώ παράλληλα έχουν και μικρότερο βάρος, (καλύτερο λόγο ενέργειας/βάρους). Μια διαφορά που θα υπάρξει στο μετατροπέα αυτής της διπλωματικής εργασίας σε σχέση με τις προδιαγραφές της παραπάνω εφαρμογής, είναι ότι η ονομαστική ισχύς του μετατροπέα εδώ θα είναι 500W αντί για 1kW. Το γεγονός αυτό δεν αλλάζει σε κάτι τη συσχέτιση, μιας και η πρόταση του εργαστηρίου αφορούσε το διαμοιρασμό τις συνολικής ισχύος χρησιμοποιώντας μετατροπείς μικρότερης ονομαστικής ισχύος συνδεδεμένους παράλληλα, ώστε να επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ευελιξία.
Κεφάλαιο 1 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΣΤΟΙΧΕΙΑ 1.1 Ενεργειακό πρόβλημα Απώλειες ενέργειας Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα παγκοσμίως, που μέρα με τη μέρα γίνεται εντονότερο, είναι το ενεργειακό. Οι παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες συνεχώς αυξάνονται (σχήμα 1.1), ενώ παράλληλα τα ενεργειακά αποθέματα των συμβατικών μορφών ενέργειας όλο και λιγοστεύουν. Παρόλα αυτά, η μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων δεν θεωρείται λύση, διότι η κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας σχετίζεται άμεσα με το βιοτικό επίπεδο των ανθρώπων, που ζητούμενο είναι συνεχώς να αυξάνει. Σχήμα 1.1 Αύξηση της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας 1986-2011 [3] Έχει δημιουργηθεί λοιπόν η ανάγκη για εξεύρεση εναλλακτικών μορφών, καθώς και για χρήση τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας. Λέγοντας εξοικονόμηση ενέργειας, εννοούμε την ελαχιστοποίηση της ενέργειας που απαιτείται για την πραγματοποίηση ενός έργου, ή αλλιώς την ελαχιστοποίηση των απωλειών σε κάθε διαδικασία. Απώλειες οι οποίες ως επί το πλείστον εμφανίζονται με τη μορφή θερμότητας, μια μορφή ενέργειας που δύσκολα χρησιμοποιείται, μετατρέπεται ή αποθηκεύεται. Το μεγαλύτερο κομμάτι της έρευνας, έχει στραφεί στην εύρεση τρόπων να εκμεταλλευτούμε νέες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ώστε να μειώσουμε την ανάγκη μας για χρήση συμβατικών, ή ακόμη και να απαλλαγούμε οριστικά - 7 -
Κεφάλαιο 1 ο από αυτές. Μέχρι όμως να συμβεί κάτι τέτοιο, η ελαχιστοποίηση των απωλειών παίζει πολύ σημαντικό ρόλο. 1.2 Θερμικές απώλειες και εκμετάλλευσή τους Από το σύνολο των απωλειών, το σημαντικότερο μέρος αποτελούν οι θερμικές. Θερμικές απώλειες έχουμε σε όλων των ειδών τις διαδικασίες παραγωγής ή μετατροπής ενέργειας. Από τις πιο μικρές, όπως οι τριβές που εμφανίζονται στα κινούμενα μέρη οποιασδήποτε διάταξης, έως τις πιο μεγάλες που συναντώνται σε μηχανές καύσης. Τέτοιες μηχανές καύσης κατακλύζουν τον κόσμο γύρω μας. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης όλων των συμβατικών οχημάτων που χρησιμοποιούμε καθημερινά, (αυτοκίνητα, μηχανές, αεροσκάφη, πλοία), τα λεβητοστάσια που χρησιμοποιούμε σε κτηριακές εγκαταστάσεις για τη θέρμανση των χώρων τους, τα συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από λιγνίτη, πετρέλαιο ή πυρηνικά, είναι κάποιες από αυτές. Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις οι θερμικές απώλειες αποτελούν ένα σημαντικό ποσοστό, απώλειες που ίσως είναι περισσότερες από την ενέργειας που λαμβάνεται από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2. Τις περισσότερες φορές μάλιστα, οι θερμικές απώλειες, είναι αρκετά μεγαλύτερες από το ίδιο το αποδιδόμενο ποσό ενέργειας, όπως παραδείγματος χάριν φαίνεται στο σχήμα 1.3, όπου παρατηρείται ότι η ενέργεια του καυσίμου που γίνεται κίνηση στο όχημα αποτελεί μόλις το 12,6%, ενώ το 62% είναι κυρίως θερμικές απώλειες. Αυτό φαίνεται λογικό αν αναλογιστούμε μια ιδανική θερμική μηχανή κύκλου Carnot, που έχει το μεγαλύτερο συντελεστή απόδοσης από όλες τις θερμικές μηχανές. Η απόδοση της μηχανής Carnot, δίνεται από τη σχέση n T T C 1 (1.1) όπου T C (T Cold ) η θερμοκρασία της ψυχρής δεξαμενής και T H (T Hot ) αυτή της θερμής. Να σημειωθεί ότι οι θερμοκρασίες είναι σε βαθμούς Kelvin. Επομένως η θερμοκρασία T C στην καλύτερη περίπτωση είναι η θερμοκρασία περιβάλλοντος δηλαδή περίπου 300 Κ. Άρα με θερμοκρασία T H = 1000K = 728 o C φτάνουμε σε απόδοση έως 70%. Μπορούμε λοιπόν εύκολα να καταλάβουμε πόσο δύσκολο είναι να επιτευχθεί μια μεγάλη απόδοση από πραγματικές μηχανές. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι οι περισσότερες μηχανές δεν ξεπερνάνε το 50% [4]. H - 8 -
Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.2 Κατανάλωση εναλλακτικών μορφών ενέργειας κατά είδος στην Αμερική [5] Προκύπτει λοιπόν η ανάγκη για εκμετάλλευση αυτών των θερμικών απωλειών. Η ανάγκη χρησιμοποίησης τεχνολογιών κατάλληλων για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μορφές ευκολότερες στη χρήση ή την αποθήκευση. Έως τώρα, η εκλυόμενη θερμότητα χρησιμοποιούνταν κυρίως για τη θέρμανση νερού ή κάποιου άλλου ρευστού, είτε για άμεση χρήση του, είτε για θέρμανση κάποιου χώρου από αυτό, όπως γίνεται σε πολλά μέρη κοντά σε συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η θέρμανση όμως αυτή δεν είναι παντού απαραίτητη. Γι αυτό σε πολλές περιπτώσεις, όπως στα οχήματα, απαιτείται άλλου είδους προσέγγιση. Τα θερμοστοιχεία, ή ακριβέστερα η χρήση τους για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από θερμική, αποτελούν μια τέτοια τεχνολογία, που ενώ ήταν εφαρμόσιμη από το 1950, είχε παραγκωνιστεί λόγω της περιορισμένης απόδοσης των τότε υπαρχόντων θερμοστοιχείων (περίπου 5%). - 9 -
Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.3 Η κατανομή της ενέργειας του καυσίμου σε ένα συμβατικό όχημα [5] 1.3 Παρουσίαση θερμοστοιχείου 1.3.1 Ιστορική αναδρομή Τα στοιχεία για την ενότητα αυτή ελήφθησαν από τις αναφορές [6-8] Αρχικά το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1821 από τον Εσθονό Thomas Johann Seebeck, ο οποίος παρατήρησε ότι δημιουργώντας διαφορά θερμοκρασίας σε μία επαφή δύο ανόμοιων μετάλλων, στα άκρα της επαφής εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό δυναμικό, ικανό να δώσει ροή ρεύματος σε κλειστό κύκλωμα. Ο ίδιος μάλιστα έκανε δοκιμές σε διάφορες διμεταλλικές επαφές και κατέγραψε τη συμπεριφορά του συσχετίζοντας τη με ένα συντελεστή που πήρε το όνομά του, συντελεστής Seebeck. Αργότερα, το 1834 ο Γάλλος Jean Charles A. Peltier έδειξε την αντίθετη οδό. Ασχολήθηκε με την αντιστροφή του φαινομένου. Δηλαδή παρέχοντας ηλεκτρική ισχύ στη διμεταλλική επαφή, θέρμαινε ή έψυχε μια πλευρά της, ανάλογα με την πολικότητα της σύνδεσης. Το 1854 ο φυσικομαθηματικός και μηχανικός, William Thomson γνωστός και ως Kelvin, συσχέτισε τα δύο παραπάνω φαινόμενα, καθώς και προέβλεψε ένα ακόμα. Το φαινόμενο Thomson, κατά το οποίο παρατηρείται παραγωγή ή απορρόφηση θερμότητας, κατά τη ροή ρεύματος μέσα από ένα υλικό, με μεταβαλλόμενη θερμοκρασία κατά μήκος της ροής. Τα ποσά της θερμότητας μάλιστα είναι ανάλογα της τιμής του ρεύματος αλλά και της μεταβολής της θερμοκρασίας. Μεταγενέστερα, περί το 1920 έγιναν πιο εκτεταμένες μελέτες πάνω στη συγκεκριμένη τεχνολογία. Αυτό διότι υπήρξαν βλέψεις για κάλυψη πολλών αναγκών, στρατιωτικών και μη, κυρίως για ψύξη αλλά και για παραγωγή ενέργειας. Παρατηρήθηκε ότι τα ημιαγωγικά υλικά καθώς και κράματα Χαλκού (Cu) και Νικελίου (Ni) εμφανίζουν εντονότερα το - 10 -
Κεφάλαιο 1 ο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Εισήχθη μάλιστα ο όρος του «συντελεστή κέρδους» ZT που ήταν δείκτης ποιότητας του κάθε υλικού. Όμως, ο βαθμός απόδοσης των στοιχείων αυτών έως το 1950 είχε φτάσει μόνο στο 5%. Το γεγονός αυτό έφερε απογοήτευση για τη συγκεκριμένη τεχνολογία και οι χρηματοδοτήσεις για έρευνες γύρω από αυτήν ελαττώθηκαν. Οι εφαρμογές δε για τις οποίες χρησιμοποιήθηκε ήταν πολύ εξεζητημένες. Κυρίως για θέρμανση και ψύξη σε ηλεκτρονικά αλλά και σε ειδικές εφαρμογές, καθώς και για παραγωγή ενέργειας σε διαστημικές εφαρμογές. Στις μέρες μας, το ενδιαφέρον έχει αναζωπυρωθεί. Αυτό, και λόγω των αυξημένων ενεργειακών αναγκών που ολοένα και μεγαλώνουν, και λόγω των μεγαλυτέρων δυνατοτήτων που έχουμε για κατασκευή και επεξεργασία υλικών. Δυνατότητες που ήδη μας έχουνε δώσει θερμοστοιχεία με μεγαλύτερες αποδόσεις, της τάξης του 10-12% και υπόσχονται ακόμη μεγαλύτερες. Η τεχνολογία αυτή μπορεί να βρει εφαρμογές σε οχήματα, τα οποία έχουν κινητήρες εσωτερικής καύσης που αποβάλλουν μεγάλα ποσά ενέργειας με τη μορφή θερμότητας, καθώς και σε πλήθος εγκαταστάσεων που αποβάλλουν μεγάλα ποσά θερμότητας, με κυριότερα τα συμβατικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας. 1.3.2 Βασικές αρχές λειτουργίας Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά Τα Θερμοστοιχεία είναι δομές που αποτελούνται από ζεύγη νοθευμένων θερμοηλεκτρικών ημιαγωγικών υλικών n και p τύπου (παλιότερα ήταν διμεταλλικές επαφές, ενώ τώρα συνήθως είναι επαφές βισμούθιου-τελλουρίου (Bi 2 Te 3 )), που ονομάζονται θερμοζεύγη. Αυτά είναι συνδεδεμένα διαδοχικά σε σειρά και τοποθετημένα ανάμεσα σε δύο κεραμικές πλάκες, όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.4. Οι δύο αυτές πλάκες αποτελούν τη θερμή και την ψυχρή πλευρά του θερμοστοιχείου. Τα θερμοστοιχεία έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι στοιχεία στερεάς κατάστασης (solid state), χωρίς κινούμενα μέρη, και λειτουργούν αθόρυβα. - 11 -
Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.4 Θερμοστοιχείο παραγωγής ενέργειας [9] Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στα τρία θερμοηλεκτρικά φαινόμενα που συναντήσαμε παραπάνω. Το φαινόμενο Peltier, βάσει του οποίου το θερμοστοιχείο λειτουργεί σαν μία αντλία, που μεταφέρει θερμότητα από τη μία πλάκα στην άλλη όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα από αυτό. Το φαινόμενο αυτό βρίσκει εφαρμογή, σε εφαρμογές ψύξης θέρμανσης. Βάσει τώρα του φαινομένου Seebeck το θερμοστοιχείο λειτουργεί αντίστροφα. Έτσι φέρνοντας σε επαφή τη μία πλάκα του με μία θερμή δεξαμενή ενώ την άλλη με μία ψυχρή, επιτυγχάνει παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τάσης και συνεπώς ρεύματος σε ένα κύκλωμα, κατά την αγωγή θερμότητας από τη μία πλευρά του στην άλλη. Τέλος, σύμφωνα με το φαινόμενο Thomson όταν ένας αγωγός που παρουσιάζει θερμική ανισοτροπία διαρρέεται από ρεύμα τότε ανάλογα με τη φορά του ρεύματος ο αγωγός αυτός είτε θα απορροφήσει είτε θα προσδώσει θερμότητα στο περιβάλλον. Παρόλο όμως που το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται και στους δύο τρόπους λειτουργίας του θερμοστοιχείου, είναι αμελητέο σε σχέση με τα άλλα δύο. Με τη χρήση των θερμοστοιχείων, σχεδόν κάθε πηγή θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από τη γεωθερμία και την ηλιακή θερμότητα ως και τη θερμότητα του ανθρώπινου σώματος. Πρακτική αξία όμως έχει κυρίως σε εφαρμογές ανάκτησης ενέργειας σε μηχανές καύσης, με σκοπό τη βελτίωση της απόδοσής - 12 -
Κεφάλαιο 1 ο τους. Η έλλειψη μάλιστα κινούμενων μαζών καθώς και το μικρό μέγεθος και βάρος των θερμοστοιχείων τα κάνει ιδανικά για εξειδικευμένες εφαρμογές: στρατιωτικές, βιομηχανικές και εργαστηριακές. Σαν παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε ότι η NASA χρησιμοποιεί εδώ και χρόνια την τεχνολογία αυτή στα διαστημόπλοιά της, όπως το Curiosity που πρόσφατα προσεδαφίστηκε στην επιφάνεια του Άρη. 1.3.3 Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας Παρακάτω θα παρουσιαστούν συνοπτικά οι χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας ενός θερμοστοιχείου, όταν αυτό λειτουργεί σαν αντλία θερμότητας και όταν λειτουργεί σαν γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας. 1.3.3.1 Λειτουργία ως ψυκτική συσκευή σε δύο διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος (Thermo- Electric Cooler (TEC)) [10] Σχήμα 1.5 Διαγράμματα Ηλεκτρικής ισχύος Διαφοράς θερμοκρασίας [10] Στα διαγράμματα του σχήματος 1.5 φαίνεται ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που περνάει μέσα από το θερμοστοιχείο τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασιακή διαφορά (DT) που εμφανίζεται στα άκρα του. Παρόλα αυτά, η σχέση μεταξύ των δύο αυτών μεγεθών, δεν είναι απόλυτα γραμμική. Όσο το ρεύμα μεγαλώνει, τόσο μικρότερες είναι οι θερμοκρασιακές διαφορές που πετυχαίνουμε. Τέλος, παρατηρείται ένα σημείο κορεσμού στα 14 Α. - 13 -
Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.6 Διαγράμματα Τάσης ακροδεκτών Μεταφοράς θερμοκρασίας [10] Στο σχήμα 1.6 παρατηρείται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασιακή διαφορά στα άκρα του θερμοστοιχείου τόσο μεγαλύτερη τάση απαιτείται στους ακροδέκτες του για το ίδιο ρεύμα. Συνεπώς όσο μεγαλώνει η διαφορά θερμοκρασίας, τόσο αυξάνεται και η ηλεκτρική αντίσταση του στοιχείου, και μάλιστα η μεταξύ τους σχέση φαίνεται να είναι γραμμική. Σχήμα 1.7 Διαγράμματα Ηλεκτρικής ισχύος Τάσης ακροδεκτών [10] Τέλος στα διαγράμματα του σχήματος 1.7 φαίνεται ότι για ίδιες διαφορές θερμοκρασίας, η αύξηση στην τάση σημαίνει και αύξηση της ενέργειας στην ψυχρή πλευρά. - 14 -
1.3.3.2 Λειτουργία ως γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας (Thermo-Electric Generator (TEG))[11] Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.8 α) Διάγραμμα Τάσης T Hot β) Διάγραμμα προσαρμοσμένης αντίστασης T H [11] Στο διάγραμμα του σχήματος 1.8,α φαίνεται ότι η τάση στους ακροδέκτες του θερμοστοιχείου αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση της θερμοκρασίας τις θερμής πλάκας (T H ) και με τη μείωση της θερμοκρασίας της ψυχρής πλάκας (T C ). Στο δεύτερο φαίνεται ότι η αντίσταση που απαιτείται για να γίνει προσαρμογή φορτίου αυξάνεται όσο αυξάνονται οι θερμοκρασίες T H και T C. Συμπεραίνεται λοιπόν ότι η εσωτερική αντίσταση του θερμοστοιχείου αυξάνεται ομοίως. Σχήμα 1.9 α) Τάσης με προσαρμοσμένο φορτίο T H β) Ρεύματος με προσαρμοσμένο φορτίο T H [11] Στο σχήμα 1.9 φαίνεται ότι ενώ η τάση αυξάνει γραμμικά με την αύξηση της θερμοκρασίας της T H, το ρεύμα αυξάνεται με διαφορετικό τρόπο. Αυτό είναι αναμενόμενο, αφού όπως έγινε φανερό και από το προηγούμενο διάγραμμα με την αύξηση της θερμοκρασίας μεγαλώνει η εσωτερική αντίσταση του θερμοστοιχείου. Άρα έχωντας προσαρμοσμένο φορτίο, για γραμμικά αυξανόμενη εσωτερική τάση παρατηρείται μικρότερη αύξηση του ρεύματος. - 15 -
Κεφάλαιο 1 ο Σχήμα 1.10 α) Διάγραμμα Ισχύος με προσαρμοσμένο φορτίο T H β) Διάγραμμα Τάσης Ρεύματος, Ισχύος Ρεύματος [11] Στο πρώτο διάγραμμα του σχήματος 1.10 α, φαίνεται ο τρόπος μεταβολής της ισχύος. Το σχήμα 1.10 β είναι αυτό που εμπεριέχει τα περισσότερα στοιχεία για το θερμοστοιχείο. Βλέπουμε τη χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος V-I καθώς και αυτήν της ισχύος συναρτήσει του ρεύματος P-I. Η πρώτη μάλιστα, με τη μορφή της υποδεικνύει το μοντέλο που αναφέρθηκε παραπάνω, δηλαδή μία πηγή τάσης σε σειρά με μια αντίσταση. Έτσι όσο περισσότερο ρεύμα διέρχεται από το θερμοστοιχείο τόσο περισσότερο πέφτει η τάση στα άκρα του. Τέλος η καμπύλη P-I μας κάνει φανερό ότι υπάρχει ένα μέγιστο ισχύος. Αυτό δε το μέγιστο όπως φαίνεται από τα υπόλοιπα διαγράμματα είναι διαφορετικό για κάθε ζεύγος T H και T C. Στα σχήματα 1.11 και 1.12 παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες (P V) ισχύος ως συνάρτηση της τάσης ενός θερμοστοιχείου κατά τη μεταβολή της αντίστασης και κατά τη μεταβολή της τάσης αντίστοιχα, που σχεδιάστηκαν με χρήση του μοντέλου του θερμοστοιχείου στο λογισμικό προσομοίωσης Matlab. Σχήμα 1.11 P V με μεταβαλλόμενη αντίσταση Σχήμα 1.12 P V με μεταβαλλόμενη τάση - 16 -
Κεφάλαιο 1 ο 1.3.3.3 Λειτουργία ως γεννήτρια ηλεκτρικής ενέργειας (TEG) (Διαφορετικό Θερμοστοιχείο)[12] Παρακάτω παρουσιάζονται τα ίδια διαγράμματα για ένα άλλο μοντέλο θερμοστοιχείου. Σχήμα 1.13 Διαγράμματα χαρακτηριστικών καμπυλών θερμοηλεκτρικής γεννήτριας [12] Στα διαγράμματα του σχήματος 1.13, φαίνεται ότι η μορφή των καμπυλών ελάχιστα αλλάζει. Πράγμα που σημαίνει ότι η φύση των θερμοστοιχείων διαφορετικών κατασκευαστών είναι η ίδια. Αυτό που ουσιαστικά διαφέρει είναι οι τιμές των αντιστάσεων και των θερμοκρασιών για τις οποίες έχουμε τη βέλτιστη λειτουργία του κάθε στοιχείου. - 17 -
Κεφάλαιο 1 ο 1.4 Σύνοψη Το ενεργειακό πρόβλημα, καθιστά όλο και πιο επιτακτική την ανάγκη για εύρεση τεχνολογιών που θα αυξήσουν την παραγόμενη ενέργεια καθώς και την οικονομία αυτής, βελτιώνοντας την απόδοση των διαδικασιών μετατροπής ενέργειας. Οι σημαντικότερες απώλειες, και ειδικά στις μέρες μας όπου κυριαρχούν ακόμη οι μηχανές καύσης στην κίνηση και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, εμφανίζονται με τη μορφή θερμότητας. Ο καλύτερος τρόπος λοιπόν για να βελτιωθεί η απόδοση των συστημάτων που χρησιμοποιούν τέτοιες μηχανές, είναι η αξιοποίηση της εκλυόμενης θερμότητας των καυσαερίων (ουσιαστικά απώλειες), για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι τα θερμοστοιχεία, τεχνολογία που υπάρχει εδώ και δεκαετίες, αλλά έμενε στην αφάνεια λόγω της μικρής απόδοσης και χρησιμοποιούνταν μόνο σε εξειδικευμένες εφαρμογές, ξαναέρχονται στο προσκήνιο. Και αυτό διότι το μικρό τους μέγεθος και βάρος καθώς και η έλλειψη κινουμένων μαζών, τα καθιστούν ιδανικές συσκευές για την εκμετάλλευση της χαμένης θερμικής ενέργειας, σε πληθώρα εφαρμογών. Όλες οι εφαρμογές, από τα οχήματα που χρησιμοποιούμε καθημερινά, μέχρι τα μεγάλα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας από συμβατικές πηγές, θα βελτίωναν την απόδοσή τους σημαντικά με τη χρήση των θερμοστοιχείων. Γίνεται σαφές, ότι όσο μένουμε εξαρτημένοι από το θερμικό κύκλο και τις συμβατικές πηγές ενέργειας, η μελέτη και η χρήση των θερμοστοιχείων, θα αποτελεί μεγάλη βοήθεια στη βελτίωση των αποδόσεων και συνεπώς στην εξοικονόμηση ενέργειας. - 18 -
Κεφάλαιο 2 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΣΗΜΕΙΟΥ ΜΕΓΙΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (MAXIMUM POWER POINT TRACKING MPPT) 2.1 Ανάγκη για έλεγχο MPPT Σύμφωνα με τα όσα αναλύθηκαν στο πρώτο κεφάλαιο, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η λειτουργία των θερμοστοιχείων ως μετατροπείς θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Όπως όμως προαναφέρθηκε, το μεγάλο μειονέκτημα της τεχνολογίας αυτής, είναι η χαμηλή τους απόδοση. Διότι μπορεί να μην είναι πλέον 4-5% όπως τη δεκαετία του 50 και να αγγίζει ακόμη και το 12% σε ορισμένες περιπτώσεις, παρόλα αυτά δεν παύει να παραμένει χαμηλή. Ακόμα όμως και αυτές οι χαμηλές τιμές επιτυγχάνονται μόνο κατά τη λειτουργία τους στο σημείο μέγιστης απόδοσης, δηλαδή σε συγκεκριμένες θερμοκρασιακές διαφορές (τις ονομαστικές), αλλά κυρίως σε συγκεκριμένο «προσαρμοσμένο» φορτίο. Όπως φάνηκε και στο προηγούμενο κεφάλαιο από τη μελέτη των χαρακτηριστικών καμπυλών λειτουργίας των θερμοστοιχείων, τα μεγέθη τους μεταβάλλονται, εξαρτώμενα από τη διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα τους. Η τάση στους ακροδέκτες τους όταν είναι ανοικτοκυκλωμένα και η εσωτερική τους αντίσταση εξαρτώνται άμεσα από τις θερμοκρασίες που υπάρχουν στη θερμή και στην ψυχρή πλάκα τους. Η παρατήρηση αυτή καθώς και οι καμπύλες ισχύος συναρτήσει του ρεύματος (P-I), κάνουν εμφανές ότι για κάθε ζεύγος θερμοκρασιών υπάρχει και ένα διαφορετικό σημείο στο οποίο πρέπει να λειτουργήσει το θερμοστοιχείο ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη μεταφορά ισχύος. Με τη χρήση του μοντέλου του ισοδύναμου Thevenin, δηλαδή πηγή τάσης με αντίσταση σε σειρά, γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι για να επιτευχθεί μέγιστη μεταφορά ισχύος, πρέπει να γίνει προσαρμογή αντίστασης, ή γενικότερα φορτίου, όπως είναι γνωστό και από το θεώρημα μέγιστης μεταφοράς ισχύος. Η διαδικασία της προσαρμογής αυτής, πρέπει να γίνεται κάθε φορά που αλλάζει μία από τις δύο θερμοκρασίες. Είναι κατανοητό ότι για να επιτευχθεί η προσαρμογή που προαναφέρθηκε πρέπει να είναι γνωστή ανά πάσα στιγμή, η εσωτερική αντίσταση του θερμοστοιχείου. Ουσιαστικά το επιθυμητό αποτέλεσμα, είναι η λειτουργία του θερμοστοιχείου στο σημείο απομάστευσης μέγιστης ισχύος από αυτό, αφού έχει προηγηθεί ο εντοπισμός του και όλο αυτό με τρόπο αυτοματοποιημένο. Οι μέθοδοι με τη χρήση των οποίων επιτυγχάνεται αυτό, αναφέρονται στην ξένη βιβλιογραφία ως μέθοδοι Maximum Power Point Tracking (MPPT). Τέτοιες μέθοδοι - 19 -
Κεφάλαιο 2 ο εφαρμόζονται εδώ και αρκετά χρόνια, κυρίως όμως σε συστήματα φωτοβολταϊκών γεννητριών και ανεμογεννητριών. Βασική τους ιδέα είναι η χρήση ενός μετατροπέα ισχύος μεταξύ της συσκευής παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος και του φορτίου, ώστε με κατάλληλη ρύθμιση της σχετικής διάρκειας αγωγής (Duty Cycle) του ημιαγωγικού στοιχείου να επιτυγχάνεται η προσαρμογή του φορτίου. Η βιβλιογραφία για την εφαρμογή των μεθόδων αυτών πάνω σε θερμοστοιχεία είναι περιορισμένη, όπως περιορισμένη είναι και η χρήση των TEG μέχρι σήμερα. 2.2 Μέθοδοι MPPT εφαρμοσμένες σε φωτοβολταϊκά συστήματα Όπως ειπώθηκε παραπάνω, οι τεχνικές MPPT εφαρμόζονται εδώ και χρόνια. Ο χώρος εφαρμογής τους όμως είναι κυρίως τα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι ανεμογεννήτριες, ενώ για τα θερμοστοιχεία η βιβλιογραφία είναι σχετικά φτωχή. Για το λόγο αυτό, η αρχική αναζήτηση για την καλύτερη και πληρέστερη κατανόηση των μεθόδων ήταν στη βιβλιογραφία των φωτοβολταϊκών στοιχείων και των ανεμογεννητριών, όπου και εντοπίστηκαν οι περισσότερες αναφορές. Παρακάτω θα παρουσιαστεί συνοπτικά το πλήθος των μεθόδων που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία, πριν γίνει η τελική επιλογή αυτών που χρησιμοποιήθηκαν. 2.2.1 Μέθοδος σταθερής τάσης [13,14] Η φιλοσοφία της μεθόδου σταθερής τάσης, ή (Constant Voltage) όπως αναφέρεται και στη βιβλιογραφία, την απεντάσσει από τις μεθόδους MPPT διότι δεν εμπεριέχει ανίχνευση. Η βασική ιδέα στην οποία στηρίζεται είναι ότι η τάση στην οποία έχουμε μέγιστη ισχύ βρίσκεται πάντα πολύ κοντά στην ονομαστική τάση λειτουργίας του στοιχείου, από το οποίο αντλείται η ισχύς. Οπότε ο μόνος στόχος του συστήματος είναι να διατηρεί την τάση εξόδου του στοιχείου σταθερή κοντά σε μία τάση αναφοράς V ref. Αυτό μπορεί να γίνει είτε εξ αρχής από το σχεδιασμό του μετατροπέα - ρύθμιση με σταθερό συντελεστή κατάτμησης, duty cycle - είτε με χρήση ενός PI ελεγκτή με ανατροφοδότηση τάσης. Η δεύτερη μέθοδος είναι αρκετά καλύτερη, αφού αποτελεί μέθοδο κλειστού βρόχου ελέγχου και συνεπώς δεν επηρεάζεται από εξωτερικές μεταβολές. Παρόλα αυτά, απαιτεί έναν αισθητήρα τάσης. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι χρησιμοποιείται κυρίως σε εγκαταστάσεις χαμηλής ισχύος, όπου το κόστος του ελεγκτή είναι σημαντικότερο από την ισχύ που θα κερδηθεί. Με την χρήση αυτής της μεθόδου βρέθηκαν βαθμοί απόδοσης που φτάνουν ως και 80%, ενώ αναφέρεται ότι σε εφαρμογές χαμηλής ισχύος και σε περιόδους γρήγορων και απότομων - 20 -
Κεφάλαιο 2 ο μεταβολών, που συναντώνται κυρίως στις ταχύτητες ανέμου στις ανεμογεννήτριες, η απόδοσή της μπορεί να ξεπεράσει αυτή των μεθόδων P&O και Incremental Conductance (πιο εξεζητημένες, και συχνότερα χρησιμοποιούμενες μέθοδοι που θα αναλυθούν παρακάτω). 2.2.2 Μέθοδος με πίνακα αντιστοίχισης [14-16] Μία ακόμη μέθοδος ανοιχτού βρόχου είναι η μέθοδος με πίνακα αντιστοίχησης (Look-up table). Η μέθοδος αυτή είναι βασισμένη σε πίνακες (2 ή περισσοτέρων διαστάσεων) αντιστοίχισης φυσικών μεγεθών του συστήματος όπως: ταχύτητα ανέμου, ηλιοφάνεια, θερμοκρασία μετρούμενων από αισθητήρες, με το σημείο μέγιστης ισχύος π.χ. τάση λειτουργίας V MPP ή λόγου κατάτμησης. Η δυσκολία που συναντάται σε αυτή τη μέθοδο έγκειται στην κατάρτιση των πινάκων αυτών για κάθε εφαρμογή [15]. Αν αναλογιστούμε δε τις εγγενείς διαφορές που έχει κάθε κατασκευή από μια όμοιά της, γίνεται κατανοητό ότι θα είναι αναγκαία η κατάρτιση ενός διαφορετικού πίνακα για κάθε εγκατάσταση. Η κύρια χρήση της σύμφωνα με τη βιβλιογραφία είναι σε ανεμογεννήτριες. Αυτό διότι στις περιπτώσεις αυτές, οι συχνές και απότομες αλλαγές των καιρικών συνθηκών καθιστούν άλλες μεθόδους, πιο ακριβείς αλλά και πιο χρονοβόρες στην εύρεση του επιθυμητού σημείου λειτουργίας, ασύμφορες. Για τη χρήση της μεθόδου αυτής στην εφαρμογή που αναλύεται στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, θα χρειαζόταν δύο τουλάχιστον αισθητήρες θερμοκρασίας, αν και περισσότεροι θα απέδιναν καλύτερα την κατανομή της θερμοκρασίας στο χώρο, και ένας αισθητήρας τάσης ώστε να καθίσταται δυνατή η επίτευξη της σωστής τάσης λειτουργίας. Θα μπορούσε ο πίνακας να αντιστοιχίζει το ζεύγος θερμοκρασιών απ ευθείας με τον κατάλληλο λόγο κατάτμησης για την επίτευξη απομάστευσης μέγιστης ισχύος, πράγμα που θα μας απάλλασσε από τη χρήση αισθητήρα τάσης αλλά θα μετέτρεπε τη ρύθμιση της τάσης σε ρύθμιση ανοικτού βρόχου. 2.2.3 Μέθοδος τάσης ανοιχτοκυκλώματος [14,17-19] Η φιλοσοφία αυτής της μεθόδου MPPT είναι ότι η ιδανική τάση λειτουργίας (V MPP ) για απομάστευση μέγιστη ισχύος στην έξοδο του στοιχείου, είναι πάντα ένα ποσοστό της τάσης που εμφανίζεται στα άκρα του στοιχείου κατά τη λειτουργία του σε ανοιχτοκύκλωμα. Για τα φωτοβολταϊκά στοιχεία το ποσοστό αυτό είναι περίπου (73-80%) της τάσης ανοικτού κυκλώματος του στοιχείου. Αυτό προκύπτει από τη φύση των φωτοβολταϊκών στοιχείων που φαίνεται στην ομοιομορφία που παρουσιάζουν οι χαρακτηριστικές τους καμπύλες P-I, V-I. - 21 -
Κεφάλαιο 2 ο Ίσως είναι η πιο απλή μέθοδος στην εφαρμογή της. Βασίζεται στον τύπο V MPP /V OC = K (σταθερό) < 1 [17]. Έτσι επιλέγοντας ένα K βέλτιστο, συνήθως για τα φωτοβολταϊκά αυτό είναι το 76% σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, ανοιχτοκυκλώνοντας ανά τακτά χρονικά διαστήματα και μετρώντας την τάση ανοικτού κυκλώματος, ορίζεται η V MPP σαν τάση αναφοράς και μεταβάλλεται κατάλληλα ο λόγος κατάτμησης ώστε να επιτευχτεί η τάση αυτή στην έξοδο του στοιχείου. Στην περίπτωσή των θερμοστοιχείων, η φυσική του στοιχείου είναι διαφορετική. Συνεπώς διαφορετικό είναι και το K βέλτιστο. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο του ισοδυνάμου Thevenin στο συλλογισμό μας, η βέλτιστη μεταφορά ισχύος επιτυγχάνεται, έχοντας κάνει προσαρμογή αντιστάσεων. Έτσι στην έξοδο του θερμοστοιχείου, αναμενόμενο είναι να έχουμε το 50% της τάσης ανοιχτοκυκλώματος. Και αυτή η μέθοδος απαιτεί έναν αισθητήρα τάσης και πιθανόν έναν PI ελεγκτή ώστε να επιτυγχάνεται γρήγορα η επιθυμητή τάση. Σχήμα 2. 1 Διάγραμμα ροής της μεθόδου 'Τάσης Ανοιχτοκυκλώματος' [17] Πρόβλημα εδώ αποτελεί η ανάγκη ανοικτοκύκλωσης του κυκλώματος ισχύος, ανά τακτά χρονικά διαστήματα, που συνεπάγεται απώλεια ισχύος. Αυτό είναι λιγότερο «αισθητό» για σχετικά σταθερά συστήματα, διότι απαιτούν λιγότερο συχνούς ελέγχους. Παρόλα αυτά η επιλογή της συχνότητας ανοιχτοκυκλώματος αποτελεί παράμετρο προς ρύθμιση. Μικρή συχνότητα σημαίνει λιγότερες απώλειες λόγω του ανοιχτοκυκλώματος, αλλά μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί το σύστημα εκτός βέλτιστου σημείου λειτουργίας για περισσότερο χρόνο, λόγω κάποιας μεταβολής στο περιβάλλον του. Μία άλλη προτεινόμενη λύση που βρέθηκε στη βιβλιογραφία, είναι η χρήση ενός μικρότερου «πιλοτικού» στοιχείου, που υποβάλλεται στις ίδιες συνθήκες, ως αναφορά, ώστε να έχουμε μικρότερες απώλειες. Όσον αφορά την απόδοση της μεθόδου αυτής σύμφωνα με άρθρα, κυμαίνεται μεταξύ 88-93%.[18] - 22 -
Κεφάλαιο 2 ο 2.2.4 Μέθοδος ρεύματος βραχυκύκλωσης [14,17,20,21] Μέθοδο με παρόμοια φιλοσοφία με την προηγούμενη αποτελεί η μέθοδος ρεύματος βραχυκύκλωσης. Η διαφορά αυτής της μεθόδου έγκειται στο ότι είναι βασισμένη στο ρεύμα βραχυκύκλωσης και όχι στην τάση ανοιχτοκυκλώματος. Έτσι γίνεται χρήση της σχέσης για το βέλτιστο ρεύμα με το ρεύμα βραχυκύκλωσης, I βέλτιστο = k I βραχυκύκλωσης [14]. Πάλι βασίζεται σε παρατήρηση για τα φωτοβολταϊκά συστήματα ότι για θερμοκρασίες 0 ο C 60 o C το k παραμένει σχεδόν σταθερό κοντά στο 92%. Οπότε ομοίως, βραχυκυκλώνοντας το φωτοβολταϊκό (με απώλεια ισχύος) γίνεται μέτρηση του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Από αυτό ύστερα μπορεί να υπολογιστεί το I βέλτιστο. Μετά ακολουθεί η ρύθμιση του λόγου κατάτμησης έτσι ώστε από το κύκλωμα να περνάει το ρεύμα αυτό. Το τελευταίο επιτυγχάνεται πάλι είτε με ρύθμιση βάσει της χαρακτηριστικής του μετατροπέα, είτε πολύ καλύτερα με χρήση PI ελεγκτή. Στην περίπτωση του θερμοστοιχείου, ξανά με τη χρήση ισοδύναμου μοντέλου, κατά τη λειτουργία με «προσαρμοσμένο» φορτίο, η συνολική αντίσταση είναι διπλάσια από αυτήν κατά τη λειτουργία βραχυκυκλωμένου στοιχείου. Συνεπώς το k και σε αυτήν τη μέθοδο θα είναι k = 0,5 για το θερμοστοιχείο. Για την υλοποίηση της διάταξης απαιτούνται ένας αισθητήρας ρεύματος, ένας ελεγκτής PI και ένας διακόπτης για τη βραχυκύκλωση της εκάστοτε συσκευής (φωτοβολταϊκού, θερμοστοιχείου). Σε σύγκριση με την προηγούμενη μέθοδο υπάρχει η δυσκολία ότι δεν μπορεί εύκολα να επιτευχθεί απόλυτο βραχυκύκλωμα και παράλληλα να μετριέται το ρεύμα και γι αυτό προτιμάται η μέθοδος ανοιχτοκυκλώματος [17]. Το παραπάνω φαίνεται και από τις αποδόσεις που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, που κυμαίνονται στο 85 90%. Μια βελτίωση που έχει προταθεί [20] για περιπτώσεις γρήγορων μεταβολών είναι η αντιμετώπιση του συντελεστή k ως παραμέτρου, η οποία αλλάζει ανάλογα με τις (καιρικές, εξωτερικές φυσικές) συνθήκες. Τέλος, να αναφερθεί ότι και σε αυτή τη μέθοδο μπορεί να χρησιμοποιηθεί πιλοτικό στοιχείο, όπως και στην προηγούμενη, για την αποφυγή των απωλειών που θα υπάρξουν κατά τη βραχυκύκλωση του κύριου θερμοστοιχείου. - 23 -
Κεφάλαιο 2 ο 2.2.5 Μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης [14,15,18,22-24] Γενικώς ίσως η πιο διαδεδομένη λόγω της απλότητας της λογικής της. Η μέθοδος διαταραχής και παρατήρησης, Perturb&Observe (P&O), ή Hill climbing, είναι βασισμένη στον έλεγχο της συνθήκης: dp 0 dv (2.1), ως ένδειξη του ότι βρισκόμαστε στο μέγιστο της καμπύλης P V. Δεν απαιτεί καμία γνώση του υπό έλεγχο συστήματος - συνεπώς μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα ανεξαιρέτως - αρκεί να μετράται η τάση και το ρεύμα της εξόδου του. Αποτελείται από έναν λογικό βρόγχο ελέγχου, η λειτουργία του οποίου βασίζεται στη σύγκριση της ισχύος (τάση επί ρεύμα) πριν και μετά από μία στοιχειώδη μεταβολή της τάσης. Αν η μεταβολή αυτή προκαλεί αύξηση της ισχύος, ακολουθεί μεταβολή της ίδιας κατεύθυνσης, αν προκαλεί μείωση ακολουθεί μεταβολή αντίστροφης κατεύθυνσης. Στο σχήμα 2.2 παρουσιάζονται δύο διαγράμματα ροής, τα οποία δίνουν μια καλύτερη εικόνα της λογικής λειτουργίας της μεθόδου όπως αυτή περιγράφηκε νωρίτερα. Σχήμα 2. 2 Διαγράμματα ροής μεθόδου P&O [23],[24]. Όπως γίνεται αντιληπτό, η κατεύθυνση της αλλαγής εξαρτάται μόνο από την αυξομείωση της ισχύος. Το γεγονός αυτό οδηγεί στα δύο βασικά προβλήματα της μεθόδου αυτής: 1) την ταλάντωση γύρω από το σημείο MPP. Η ταλάντωση αυτή είναι εγγενής της μεθόδου, διότι για να φτάσει στο επιθυμητό σημείο λειτουργίας θα έχει πραγματοποιήσει μια - 24 -
Κεφάλαιο 2 ο αύξηση ή μια μείωση της τάσης που θα επαναληφθεί και στον επόμενο κύκλο. Αυτό όμως θα απομακρύνει το σύστημα από το MPP και θα οδηγήσει σε αντιστροφή της κατεύθυνσης, κ.ο.κ. Στο σχήμα 2.3 φαίνεται και γραφικά το πρόβλημα της ταλάντωσης γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος MPP. Σχήμα 2. 3 Πρόβλημα ταλάντωσης γύρω από το σημείο μέγιστης ισχύος MPP [15]. Το πρόβλημα της απώλειας ακρίβειας λόγω αυτής της ταλάντωσης μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με επιλογή μικρότερου βήματος. Αυτή η επιλογή καθιστά όμως πιο αργή τη μέθοδο, καθώς απαιτούνται περισσότερα μικρά βήματα για την προσέγγιση του MPP. 2) Την απώλεια προσανατολισμού σε απότομες μεταβάσεις από μια χαρακτηριστική P-V σε μια άλλη. Κατά τη μετάβαση σε μία κατάσταση (χαρακτηριστική) μεγαλύτερης ισχύος, η ισχύς μπορεί να αυξάνεται ενώ το σύστημα απομακρύνεται από το σημείο βέλτιστης λειτουργίας. Αυτό διότι κατά τη μετάβαση σε μία χαρακτηριστική καμπύλη υψηλότερης ισχύος, η μέθοδος βλέποντας αύξηση της ισχύος, συνεχίζει διατηρώντας το βήμα που είχε προηγουμένως. Παρόλα αυτά, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι κινείται και προς το σημείο όπου επιτυγχάνεται η απόδοση μέγιστης ισχύος, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.4 κατά τη μετάβαση από την καμπύλη P1 στην P2. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι υβρίδια της P&O που στοχεύουν να ελαχιστοποιήσουν τα μειονεκτήματα [15]. [23] Π.χ. Σε συνδυασμό με ένα γρήγορο μικροελεγκτή (DSP) με χρήση του οποίου θα μπορούσαν να αυξηθούν σημαντικά οι ρυθμοί δειγματοληψίας, μπορεί με ένα μικρό βήμα η ακρίβεια προσέγγισης του βέλτιστου σημείου να αυξανόταν δραματικά. Η συχνότητα δειγματοληψίας βέβαια καθώς και η μεταβολή του λόγου κατάτμησης σε κάθε βήμα, αποτελούν βασικές παραμέτρους της μεθόδου. - 25 -
Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 4 Πρόβλημα απώλειας προσανατολισμού [14]. 2.2.6 Μέθοδος αυξανόμενης αγωγιμότητας [14,17,22,25-27] Η μέθοδος αυξανόμενης αγωγιμότητας ή (Incremental Conductance) είναι παρόμοια σε λογική με την P&O από την άποψη του ότι περιλαμβάνει μεταβολή τάσης και σύγκριση αποτελεσμάτων. Εδώ όμως το κριτήριο για την εύρεση του MPP αλλάζει. Βασίζεται στην εύρεση της κλίσης της καμπύλης P-V και στο ότι στο σημείο μέγιστης ισχύος θα ισχύει, [ ΔP/ΔV = 0 ]. Η συνθήκη αυτή για το MPP μετασχηματίζεται σε [ ΔΙ/ΔV = - I/V ]. Έτσι ο έλεγχος μεταφέρεται στις χαρακτηριστικές I-V του στοιχείου αντί για τις P-V στις οποίες γινόταν προηγουμένως. ΔP/ΔV=0 => Δ(V*I)/ΔV=0 => I + V * ΔI/ΔV = 0 => ΔI/ΔV = - I/V [26] ΔI/ΔV = I/V => ΔP/ΔV = 0 άρα το σύστημα βρίσκεται στο σημείο MPP ΔI/ΔV > I/V => ΔP/ΔV > 0 άρα βρίσκεται αριστερά του ΔI/ΔV < I/V => ΔP/ΔV = 0 άρα βρίσκεται δεξιά του. Κατά την υλοποίηση του ελέγχου (με αναλογικό έλεγχο) η συνθήκη συναντάται και ως V*ΔI = -I*ΔV (πιο εύκολος ο πολλαπλασιασμός) [27]. - 26 -
Κεφάλαιο 2 ο Σχήμα 2. 5 Διάγραμμα ροής της μεθόδου Incremental Conductance [22]. Με τη μέθοδο αυτή θεωρητικά μπορούν να εξαλειφθούν τα προβλήματα της P&O, αφού για ικανοποίηση της συνθήκης ελέγχου αυτή σταματάει στο σημείο MPP (αποφυγή ταλάντωσης) και έχοντας γνώση της παραγώγου του ρεύματος προς την τάση, δεν χάνεται ο προσανατολισμός κατά τη διάρκεια γρήγορων μεταβολών. Βέβαια και σε αυτή τη μέθοδο η επιλογή του βήματος παίζει καθοριστικό ρόλο στην ταχύτητα εύρεσης του MPP όπως και σε πιθανές ταλαντώσεις, λόγο πολύ μεγάλου βήματος, αφού η απόλυτη ισότητα ικανοποιείται σε μια μικρή περιοχή - θεωρητικά μόνο ένα σημείο. Δύο βελτιώσεις που θα μπορούσαν να προταθούν είναι η αυξομείωση του βήματος ανάλογα με την κλίση dp/dv [26], βελτίωση που θα παρουσιαστεί αναλυτικότερα σε άλλη παράγραφο και το να επιτραπεί ένα μικρό σφάλμα στην ικανοποίηση της ισότητας. Η μέθοδος αυτή υλοποιείται είτε αναλογικά [27] είτε ψηφιακά. Απαιτείται και για αυτή όπως και για την προηγούμενη, μόνο ένας αισθητήρας ρεύματος και ένας αισθητήρας τάσης. Στην αναλογική υλοποίηση της απαιτούνται και δύο διαφοριστές [27], ενώ και η ψηφιακή της υλοποίηση είναι μεγαλύτερης πολυπλοκότητας από την P&O, γεγονός που θα μπορούσε να αποτελεί πρόβλημα στη συχνότητα δειγματοληψίας. Παρόλα αυτά, με τη χρήση ενός σχετικά γρήγορου μικροεπεξεργαστή, η συχνότητες δειγματοληψίας είναι περισσότερο από αρκετές. Τέλος ένας διαφορετικός τρόπος υλοποίησης είναι με έναν ελεγκτή PI και ορισμό σφάλματος e = I/V + di/dv (2.2) το σφάλμα να οδηγείται στο μηδέν [26]. - 27 -